Gmsh与Nastran

Whitney 2023年8月28日浏览：1519

Gmsh只能划分网格，并不能直接作为有限元软件的前处理器。Gmsh无法直接设置求解参数，单元属性，边界条件，材料类型等。但是可以在Gmsh的基础做进一步开发，完成以上设置。

Gmsh导出的网格与几何关联，单元的Property编号可以与“几何tag”或“Group tag”一致。通过“Physical Group”将几何编入不同的组，获取特定几何上的单元，节点编号，从而实现求解设置。本文通过修改Gmsh导出的“BDF”文件，实现Nastran静力学求解。

1.BDF文件的结构

可供Nastran计算的BDF文件由5部分组成，前2部分可选，后3部分必须有。其简单介绍：

Statement：控制程序的计算参数，如内存设置，数值方法等。
File Management：控制文件，执行“restart”
Executive Control：设置求解类型，设置最长允许时间
Case Control：定义子步，载荷步，选取载荷，约束，输出结果
Bulk Data：定义具体的单元，节点，载荷，材料信息。

2.Gmsh划分网格并导出BDF文件

将Gmsh导出为特定的文件，使用“option”控制，支持很多格式，“31”标定BDF。

Gmsh与Nastran的图2

将下图所示的几何划分为四边形网格，固定Line 201，Line 205 施加载荷。两个面使用不同的材料。

Gmsh与Nastran的图3

Gmsh的代码如下，注意以下设置：

gmsh::model::addPhysicalGroup()
gmsh::option::setNumber("Mesh.SaveAll", 0);
gmsh::option::setNumber("Mesh.SaveElementTagType", 2);软件默认单元导出后的“Property 编号”采用几何编号，此处改为使用Physical Group的编号。
gmsh::model::mesh::getNodesForPhysicalGroup()
gmsh::model::removePhysicalGroups(），通过这个命令实现仅导出2维单元。

int main(int argc, char **argv){  gmsh::initialize(argc, argv);
  gmsh::model::add("bdf-Nastran");  double lc = 1.0;  gmsh::model::occ::addPoint(0, 0, 0,lc, 100);  gmsh::model::occ::addPoint(20, 0, 0, lc,101);  gmsh::model::occ::addPoint(20, 10, 0,lc, 102);  gmsh::model::occ::addPoint(0, 10, 0, lc,103);  gmsh::model::occ::addPoint(0, 0, 20, lc, 104);  gmsh::model::occ::addPoint(0, 10, 20, lc, 105);
  gmsh::model::occ::addLine(100, 101, 200);  gmsh::model::occ::addLine(101, 102, 201);//此线段固定  gmsh::model::occ::addLine(102, 103, 202);  gmsh::model::occ::addLine(103, 100, 203);  gmsh::model::occ::addLine(103, 105, 204);  gmsh::model::occ::addLine(105, 104, 205);//此线段加载荷  gmsh::model::occ::addLine(104, 100, 206);
  gmsh::model::occ::addCurveLoop({200,201,202,203}, 300);  gmsh::model::occ::addCurveLoop({ -203,204,205,206 }, 301);
  gmsh::model::occ::addPlaneSurface({300}, 400);  gmsh::model::occ::addPlaneSurface({ 301 }, 401);
  gmsh::model::occ::synchronize();
  gmsh::model::addPhysicalGroup(1, { 201 }, 500, "Fixed Nodes");  gmsh::model::addPhysicalGroup(1, { 205 }, 501, "Load Nodes");  gmsh::model::addPhysicalGroup(2, { 400 }, 502, "Aluminum");  gmsh::model::addPhysicalGroup(2, { 401 }, 503, "Steel");
  gmsh::option::setNumber("Mesh.SaveAll", 0);//仅输出与Group相连的单元，  gmsh::option::setNumber("Mesh.BdfFieldFormat", 1);//0: free, 1: small, 2: large  gmsh::option::setNumber("Mesh.Format", 31);//导出为bdf  gmsh::option::setNumber("Mesh.SaveElementTagType", 2);//1: elementary, 2: physical, 3: partition。Default value: 1  gmsh::option::setNumber("Mesh.Lines", 1);
  gmsh::option::setNumber("Mesh.Algorithm", 11);  gmsh::model::mesh::generate(2);
  std::vector<size_t> fixNodes,loadNodes;  std::vector<double> fixCoors,loadCoors;  gmsh::model::mesh::getNodesForPhysicalGroup(1, 500, fixNodes, fixCoors);//获得fix Nodes 的编号  gmsh::model::mesh::getNodesForPhysicalGroup(1, 501, loadNodes, loadCoors);//获得load Nodes 的编号
  //将节点编号输出到“Nodes.txt”  std::fstream file;  file.open("Nodes.txt", std::ios::app);  file << "Fixed Nodes:\n";  for (int i = 0; i < fixNodes.size(); i++)  file << fixNodes[i] << " ";
  file << "\nLoad Nodes:\n";  for (int i = 0; i < loadNodes.size(); i++)  file << loadNodes[i] << " ";    gmsh::model::removePhysicalGroups({ {1,500},{1,501} });//将Curve的Group删除，仅导出QUAD单元。
  gmsh::write("bdf-Nastran.bdf");  std::set<std::string> args(argv, argv + argc);  if (!args.count("-nopopup")) gmsh::fltk::run();
  gmsh::finalize();  return 0;}

Nodes.txt文件中的节点信息：

Fixed Nodes:2 3 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 Load Nodes:5 6 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204

BDF文件太长，此处仅展示与Group设置相关部分，

//两个面上单元，被编号为502,503CQUAD4  1054    502     1192    54      72      1193    CQUAD4  1055    502     1193    72      53      1194    CQUAD4  1056    502     1194    53      3       85      CQUAD4  1057    503     4       118     1195    151     CQUAD4  1058    503     151     1195    1196    162     CQUAD4  1059    503     162     1196    1197    140     CQUAD4  1060    503     140     1197    1198    163

3.添加材料、边界条件、求解

在Gmsh导出的“bdf-Nastran.bdf”加入材料、Property信息：

$ AluminumMAT1,1,72395.,,0.33$ SteelMAT1,2,193060.,,0.3PSHELL,502,1,1.0,1,,1PSHELL,503,2,1.0,2,,2

加入载荷，边界：

SPCADD,500,1LOAD,501,1.0,1.0,1
$Fixed Nodes:SPC1,1,123456,2 3SPC1,1,123456,53,THRU,72
FORCE,1,5,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,6,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,184,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,185,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,186,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,187,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,188,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,189,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,190,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,191,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,192,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,193,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,194,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,195,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,196,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,197,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,198,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,199,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,200,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,201,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,202,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,203,0,10.,1.,0.,0.FORCE,1,204,0,10.,1.,0.,0.

加入求解控制，载荷步选取

SOL 101CENDTITLE =BDF FROM Gmsh
SUBCASE 1   SUBTITLE=Default   SPC = 500   LOAD = 501   DISPLACEMENT(SORT1,REAL)=ALL   SPCFORCES(SORT1,REAL)=ALL   STRAIN(SORT1,REAL,VONMISES,STRCUR,BILIN)=ALL   STRESS(SORT1,REAL,VONMISES,BILIN)=ALL$ Direct Text Input for this SubcaseBEGIN BULK